JP2000098012A

JP2000098012A - 磁界センサ

Info

Publication number: JP2000098012A
Application number: JP10288768A
Authority: JP
Inventors: Osamu Shinoura; 治篠浦; Toru Oikawa; 亨及川
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 1998-09-25
Filing date: 1998-09-25
Publication date: 2000-04-07
Anticipated expiration: 2018-09-25
Also published as: JP4157203B2

Abstract

(57)【要約】【課題】反磁界による磁気コアの実効透磁率の低下が
少なく出力のばらつきが小さく、歩留りがよく、小型で
高出力な磁気センサ、特に、地磁気センサを提供する。【解決手段】帯状の強磁性体からなる磁気コアを有す
る磁界センサであって、前記磁気コアは、その帯状の幅
方向に実質的にスリット分割された複数の磁気コア部分
を有し、前記スリット分割された複数の磁気コア部分の
端部には、これらを一体化させて導通させるための導電
部が形成されてなるように構成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は外部磁界を電気信号
に変換する磁界センサ、特に強磁性体薄膜を用いた薄膜
地磁気フラックスゲートセンサに関する。

【０００２】

【従来の技術】地磁気のような微小磁界を検出する磁界
センサとして、従来より良く知られているのがフラック
スゲートセンサである。この磁界センサは、１９６０年
代にアポロ計画において月面探査にも使用された伝統的
な高感度磁気センサである。しかしながら、この磁界セ
ンサは、その構成上、磁気コアが大きく、小型化、低価
格化が困難なため特殊用途にのみ使用されるに留まって
いた。

【０００３】近年になり２０インチ以上の大型ＣＲＴの
地磁気補正やカーナビゲーションシステムへの応用が始
まるにつれて、強磁性薄帯や薄膜を用いた小型のフラッ
クスゲートセンサが報告されるようになってきた。

【０００４】例えば、特許番号２６１７４９８号公報に
は、導電性を有する帯状強磁性体磁気コアにパルス電流
を印加し、磁気コアに巻回された導体巻線からの電気信
号で外部磁界を検出する、いわゆる直交フラックスゲー
ト型磁界センサが開示されている。

【０００５】また、Sensors and Actuators, A54, 612
ページ（１９９６）には、Tadokoroらによって、帯状の
薄膜強磁性体磁気コアと、この薄膜強磁性体磁気コアに
巻回された２種類の薄膜コイル（導体巻線）を有し、こ
れらのうち、１種類を励磁用として用い、残りの１種類
を電気信号で外部磁界を検出するように用いる、いわゆ
る平行フラックスゲート型磁界センサが提案されてい
る。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
従来公知の報告においては、磁界センサの出力Ｖは、磁
性体の断面積Ｓおよび磁気コアの透磁率μに比例するこ
とは確認されているものの、帯状の磁気コアの形状につ
いては特に注意が払われていなかった。このため従来公
知の報告において、高い透磁率を有する磁気コア材料を
用いているものの、反磁界効果により実効透磁率μeff
は低くなっていた。その結果、高い出力を得ることは困
難であった。

【０００７】言い換えれば、従来公知の報告において
は、磁気センサの出力Ｖが磁気コアの断面積に比例する
ことから、コアの厚さＤが一定の条件下では、磁気コア
の幅Ｗを広くすることが好ましいとされてきた。しかし
ながら、磁気コアの幅Ｗを広くすると反磁界効果により
実効透磁率が低下してしまうことから期待した高出力は
得られていない。

【０００８】また、例えば、磁気コアの幅Ｗを２倍にす
ると検出用のコイルの巻数を半分にしても同じ出力が得
られる。そして、インダクタンスは４分の１になること
から、高周波対応が可能で好ましい。また、コイルの巻
数を減らすことは製品の歩留向上にも大きく寄与するこ
とから、幅広の磁気コアで高出力の磁気センサが求めら
れていた。

【０００９】このような実状のもとに本発明は創案され
たものであり、その目的は、反磁界による磁気コアの実
効透磁率の低下が少なく出力のばらつきが小さく、小型
で高出力な磁気センサ、特に、地磁気センサを提供する
ことにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】このような課題を解決す
るために、本発明は、帯状の強磁性体からなる磁気コア
を有する磁界センサであって、前記磁気コアは、その帯
状の幅方向に実質的にスリット分割された複数の磁気コ
ア部分を有し、前記スリット分割された複数の磁気コア
部分の端部には、これらを一体化させて導通させるため
の導電部が形成されてなるように構成される。

【００１１】また、本発明の好ましい態様として、前記
実質的にスリット分割された複数の磁気コア部分の１つ
の上面部の幅をＷ１、長さをＬとしたときに、５＜Ｌ／
Ｗ１＜１００となるように構成される。

【００１２】また、本発明の好ましい態様として、前記
スリット分割された複数の磁気コア部分の端部に形成さ
れた導電部を介して、磁気コアの長手方向にパルス電流
または高周波電流が印加され、実質的にスリット分割さ
れた磁気コア部分に電流が分流する構造を有してなるよ
うに構成される。

【００１３】また、好ましい態様として、前記磁気コア
の外周には、長手方向に沿って、磁界検出のための検出
用コイルが巻かれ、このコイルに生じる電気信号により
外部磁界を検出するフラックスゲートセンサ構造を備え
てなるように構成される。

【００１４】また、本発明の好ましい態様として、前記
実質的にスリット分割された複数の磁気コア部分の総断
面積が、実質的にスリット分割されていない磁気コアの
断面積の５０〜９９％となるように構成される。

【００１５】また、本発明の好ましい態様として、前記
帯状の磁気コアは、パターニングされた薄膜として構成
される。

【００１６】また、本発明の好ましい態様として、実質
的にスリット分割される前の状態における磁気コアの幅
をＷ２、長さをＬとした場合、０．５＜Ｌ／Ｗ２＜１．
５となるように構成される。

【００１７】本発明において、磁気コアが幅方向に複数
の部分に分割され細長くなっているため、反磁界の影響
が小さく磁気コアの実効透磁率μeff が高い。このため
高い出力を得ることが可能となる。特に、地磁気センサ
として有効に作用する。

【００１８】

【発明の実施の形態】以下、本発明の具体的実施の形態
について詳細に説明する。

【００１９】図１は、本発明の磁界センサ１の好適な一
例を概略的に示した斜視図であり、図２は、図１のＡ−
Ａ方向断面矢視図である。

【００２０】これらの図面に示されるように、本発明の
磁界センサ１は、基板５の上に、帯状の強磁性体からな
る磁気コア２を有しており、この磁気コア２は、その帯
状の幅方向（帯状の長手方向に対して直角方向）に実質
的にスリット分割（本実施の形態の場合、１０分割）さ
れた複数（１０個）の磁気コア部分２０，２１，２２，
２３，２４，２５，２６，２７，２８，２９（以下、単
に、磁気コア部分２０〜２９）を有している。

【００２１】ここで、『実質的にスリット分割された』
とは、長手方向の長さＬは同一で、幅が狭い複数の部分
に分割されていることを示す。『実質的に』であるか
ら、分割の手法は、特に問われない。つまりベタ膜を形
成した後に、スリット分割してもよいし、複数の磁気コ
アを分割状態に集合させてもよい。また、『分割』とは
磁気的、電気的に分離されていることを示す。

【００２２】すなわち、分割された磁気コア部分と磁気
コア部分との隙間部分７１，７２，７３，７４，７５，
７６，７７，７８，７９（以下、単に、隙間部分７１〜
７９）は、非導電性の非磁性体で満たされていることが
望ましい。例えば，ノボラックレジストやポリイミド樹
脂等を熱硬化した絶縁層とすることが特に望ましい。な
お、従来の磁界センサでは磁気コアがスリット分割され
ているものは見当たらない。

【００２３】このようにスリット分割された複数の磁気
コア部分２０〜２９の端部（図１の場合、両端部）に
は、これらのコア部分を一体化させて導通させるための
導電部３０，３０が、それぞれ、接続形成されている。

【００２４】また、図２において、１０分割された磁気
コア２の磁気コア部分２０〜２９の各幅をＷ１とし、分
割されていないと仮定した状態における幅をＷ２とした
場合、分割により空隙が生じるために、Ｗ１×１０＜Ｗ
２の関係が成立する。好ましくは、０．５≦（Ｗ１×１
０）／Ｗ２≦０．９９である。

【００２５】磁気コア部分の厚さが一定であるから、断
面積の比率で表示してもこの関係は同じとなり、前記実
質的にスリット分割された複数の磁気コア部分の総断面
積が、実質的にスリット分割されていない状態での磁気
コアの断面積の５０〜９９％となるように構成されるの
が好ましい。隙間部分７１〜７９が大きくなり過ぎて、
上記のコア断面積比率が、５０％未満となると、結果と
して出力が減少してしまう。また、上記のコア断面積比
率が、９９％を超えると、分割された磁性体間の隙間が
狭くなり作製が困難となってしまうという不都合が生じ
る。

【００２６】また、本発明の好ましい態様として、実質
的にスリット分割される前の状態における磁気コアの幅
をＷ２、長さをＬとした場合、０．５＜Ｌ／Ｗ２＜１．
５となるように磁気コア２を構成するのがよい。Ｌ／Ｗ
２の値を上記の範囲内に設定することにより、一定の面
積の磁気コアの中で、磁気コアの断面積を大きくし、コ
イルの巻数を減ずることが可能となる。逆に、Ｌ／Ｗ２
の値が０．５以下となると分割数が多くなり空隙の影響
から実効断面積が減少してしまう。また、Ｌ／Ｗ２の値
が１．５以上となるとコイルの巻数が増加しインダクタ
ンスの上昇を招いてしまう。

【００２７】分割される磁気コア部分の数は、元の磁気
コア全体の幅により異なるが、概ね２〜５０とすること
が好ましい。また、分割のための隙間部分７１〜７９の
各幅Ｗ_v （図２）は、０．１〜５０μｍ程度が好まし
く、特に好ましくは１〜２５μｍである。

【００２８】隙間部分の幅Ｗ_v が、０．１μｍ未満とな
ると、製造工程上のばらつきから部分的に磁気コア部分
同士が接触してしまう危険性が有り、また、５０μｍを
超えると、磁気コア２全体としての断面積が減少してし
まう傾向にある。

【００２９】上述のごとく本発明の磁界センサ１の磁気
コア２は、幅方向に複数の磁気コア部分に分割されてい
る。これはいわゆる反磁場による影響を少なくし、帯状
の磁気コア磁性体の長手方向の磁界を効率良く検出でき
るようにするためである。反磁場は、磁性体を磁化する
場合に外部磁界が有効に磁性体を磁化するのを阻害する
現象である。

【００３０】例えば、分割前の磁気コアの長さＬが３ｍ
ｍの場合において、コア長手方向から磁界が印加される
場合の反磁場係数の値を、コア幅およびコア厚さをそれ
ぞれ変化させつつ求めた計算例（グラフ）が図４に示さ
れる。図４に示される結果より、磁気コアの幅が狭いほ
ど反磁場係数が小さくなることが容易に理解される。そ
して、特に、反磁場係数が１×１０^-3以上の場合には非
常に影響が大きい。このため磁界センサとして実用的な
膜厚１〜１０μｍで計算すると、磁気コアの長さＬと幅
Ｗ１（磁気コア部分）の関係は、５＜Ｌ／Ｗ１であるこ
とが好ましい。また、幅Ｗ１は小さすぎるとパターニン
グが困難になると同時に分割数が多くなり、分割による
空隙部が増える。そのため、Ｌ／Ｗ１＜１００であるこ
とが好ましい。これらの好適な要件をまとめると、５＜
Ｌ／Ｗ１＜１００となる。

【００３１】なお、『磁気コアが分割されている』と
は、言い換えれば複数の磁気コア部分が集合していると
も見ることが出来る。この場合には、幅の狭い１個の磁
気コア部分では断面積が小さく十分な出力が得られない
ために、集合化して断面積を大きくしていると考えるこ
とができる。

【００３２】さらに、本発明において、磁気コアをその
幅方向に実質的にスリット分割させることで、磁区構造
が安定化する効果も合わせて期待できる。帯状の長手方
向を磁化容易軸とする磁気コアにおいて、コア長さに対
してコア幅を広くした場合には、１８０度磁壁が長手方
向に２本以上現れてしまう。これに対して本発明のごと
くコアを分割することで単磁区構造、あるいは１８０度
磁壁が長手方向に１本だけという安定な磁区構造とする
ことが可能となる。本発明の分割されたコア構造から発
現する安定磁区構造を有することで、製造ロット間で安
定した出力を有する磁界センサを作製することができ、
安定した品質の保証をすることができる。

【００３３】帯状の磁気コア２（磁気コア部分２０〜２
９）の材料としてはＮｉＦｅ、ＣｏＦｅ、ＣｏＮｉＦ
ｅ、ＣｏＺｒＮｂ等の公知の各種の高透磁率を示す軟磁
性体から選ぶことができる。また、『帯状』とはその長
さが幅よりも長く、かつ厚さが幅に比べて遥かに短い状
態を示す。帯状の磁気コア２としては、例えば、高速急
冷薄帯やバルクの板を用いることができるが、特に好ま
しくは真空成膜法、めっき法で成膜された薄膜をパター
ニングした磁気コアである。

【００３４】また、本発明の磁界センサ１の帯状の磁気
コア２には、図１に示されるように長手方向にパルス電
流または高周波電流を印加するための電源５０が接続さ
れ、電源５０からの電流により発生した磁界により磁気
コアを飽和させ、その実効透磁率を一時的に極端に小さ
な状態にすることで外部磁界を検出するように操作され
ることが好ましい。

【００３５】磁気コア２に電流を流す場合、その電流は
分割された磁気コア部分２０〜２９にそれぞれ分流する
ことが好ましい。このために電流導入部分で磁気コア２
は、その両端部に配置された導電部３０，３０を介して
電気的に接続されていなければならない。すなわち、導
電部３０は、磁気コア部分２０〜２９のいずれとも電気
的に接続されている。

【００３６】磁気コア２（磁気コア部分２０〜２９）の
外周には、長手方向に沿って、磁界検出のための検出用
コイル４０が巻かれ、このコイル巻線に生じる電気信号
により外部磁界を検出するフラックスゲートセンサ構造
とすることが好ましい。

【００３７】図１における検出用コイル４０として、簡
略的な巻線コイル形状が描かれているが、このものは、
いわゆる薄膜形成プロセスに基づいて形成される薄膜コ
イル４０とすることが好ましい。図２に薄膜コイル４０
の断面が部分的に示されており、薄膜コイル（検出用コ
イル）４０は、通常、下部コイル部分４１と上部コイル
部分４５との結合により構成される。この場合、磁気コ
ア２との絶縁を図るために、絶縁層６１，６２が磁気コ
ア２を囲むように形成されている。このような検出用コ
イル４０の両端部には検出端子４５（パッド部）が形成
される。

【００３８】なお、検出用コイル４０を薄膜形成すると
同時に、例えば銅からなる前記導電部３０，３０を磁気
コア端部をまたぐ形に形成すれば、製造工程の合理化が
図られる。

【００３９】また、本発明の磁気コア２の上部位置、下
部位置、または中間位置に磁気コア２を構成する磁性材
料よりも比抵抗の低い材料からなる導電層を形成するこ
とも可能である。この場合、磁気コア２に流された電流
は、比抵抗の低い導電層を流れる。そして、この電流に
より発生した磁界により磁気コア２を飽和させることが
可能である。もちろん、この場合にも磁気コア２には分
流した僅かの電流は流れる。

【００４０】上述してきた本発明の磁界センサ１は、特
に好ましくは薄膜磁気ヘッドと同様の薄膜プロセスによ
り形成される。

【００４１】また、磁気コア２の形状は、図３に示すよ
うに途中で折り返した構造でも構わない。この場合には
見かけ上、２本の磁気コア２ａ，２０ｂを有するが、そ
の各々が分割され、磁気コア部分２０ａ，２１ａ，２２
ａ，２３ａ，２４ａ（分割のための隙間部分７１ａ，７
２ａ，７３ａ，７４ａ）と磁気コア部分２０ａ，２１
ｂ，２２ｂ，２３ｂ，２４ｂ（分割のための隙間部分７
１ｂ，７２ｂ，７３ｂ，７４ｂ）が、それぞれ、形成さ
れている。２本の磁気コア２ａ，２０ｂの一方端には、
導電部３１，３２がそれぞれ形成され、２本の磁気コア
２ａ，２ｂの他方端には、２本の磁気コア２ａ，２ｂを
連結する導電部３５が形成されている。このような２本
の磁気コア２ａ，２ｂの外周全体には、長手方向に沿っ
て、磁界検出のための検出用コイル４０が巻かれてい
る。また、導電部３１，３２には、図３に示されるよう
に長手方向にパルス電流または高周波電流を印加するた
めの電源５０が接続されている。

【００４２】上述してきた本発明の磁界センサ１におい
ては、一般に、磁気コア２に電流を流すためのパッド
部、および検出用コイル４０のパッド部からワイヤーボ
ンダーにより外部に設けられた電源および信号処理部へ
と接続がなされる。もちろんパッド部に半田バンプを設
け、基体面を上にしてプリント基板等に実装することも
可能である。あるいはスルホールを有する基体上にセン
サを形成し、素子面を上にプリント基板等に実装するこ
とも可能である。

【００４３】また、本磁界センサ１は、公知の有機物、
および／または無機物の保護膜６５（図２）を最上面に
設けることが好ましい。さらに、他の電子部品同様の樹
脂封止の処理をすることも可能である。この場合には、
磁気コアに大きな応力が掛からないように、樹脂封止を
する前に、予め応力緩和層として封止樹脂とは異なる樹
脂で保護層を形成しておくことが望ましい。

【００４４】なお、本発明の帯状の磁性体の替わりに線
状の磁性体を用いた場合には、断面積の小さな線状の磁
性体を束ねる構造となる。しかしながら、この場合、各
々の線状の磁性体の周囲に個別に絶縁層を形成する必要
があり、総断面積が小さくなってしまうために好ましい
構造とは言えない。

【００４５】また、本発明の磁界センサを２つ組み合わ
せることで２軸の磁界センサ、３個組み合わせることで
３軸の磁界センサとすることも可能である。この際に磁
気コアの電流が流れる方向は、互いに直交する配置とな
る。２軸の場合には、１枚の基体の表と裏にそれぞれ素
子部を形成したり、２つのセンサを１枚の基板上に積層
して形成したりすることも可能である。

【００４６】

【実施例】以下に具体的実施例を示し、本発明をさらに
詳細に説明する。

【００４７】（実施例１〜４）図１および図２に示され
るような磁界センサのサンプルを下記の要領で作製し
た。検出用コイル４０は、薄膜コイルとし、下部コイル
と上部コイルが接続され、磁気コアを巻回するように構
成した。

【００４８】具体的サンプルの作製表面に酸化皮膜を有するシリコンウエハー基板５の上
に、下部コイル４１を電気めっき法により形成した。次
いで、熱硬化ノボラック樹脂からなる下部絶縁層６１を
形成し、この上に厚さ４μｍのＣｏＺｒＮｂスパッタ膜
からなる磁気コア２を形成した。この磁気コアの長さＬ
は、９００μｍに固定し、幅Ｗは表１に示す各種の形状
とした。巻線コイルは４０ターン構造とした。なお、表
１において、幅がＷ１×ｎとあるのは、分割されたひと
つの磁気コア部分の幅がＷ１で、磁気コアがｎ個の磁気
コア部分に分割されていることを示す。磁気コアのパタ
ーニングは、フォトレジスト法によりマスクを用いて露
光、現像したレジストパターンを用い、フレームめっき
法およびエッチング法により形成した。

【００４９】さらに、このような磁気コアの上に、上部
絶縁層６２を介して、上部コイル４５を形成した。最後
に、保護層６５として絶縁層を形成し、各種磁界センサ
のサンプルを作製した（実施例１〜４サンプル）。

【００５０】（比較例１）長さ９００μｍ×幅８３０μ
ｍ×厚さ４μｍスリット分割されていない一枚の磁気コ
アを用いた。それ以外は、上記実施例のサンプルと同様
にして、比較例１の磁界センサのサンプルを作製した。

【００５１】サンプルの評価上記の各サンプルについて、出力および出力ばらつきを
下記の要領で求めた。すなわち、完成した磁界センサの
磁気コア部に、１０ＭＨｚのパルス電流を印加し、地磁
気（０．３Oe）による出力値を求め、１Ｔ（テラス）当
たりの出力に換算して各種の素子を比較した。なお、出
力は２０個の素子の平均値で表した。また、出力ばらつ
きは、２０個の素子の出力の最高値と最低値の差を平均
値で割ってパーセント表示した。

【００５２】結果を下記表１に示した。

【００５３】

【表１】なお、本実施例センサの試作歩留りはいずれも９５％以
上と高かった。

【００５４】

【発明の効果】上記の結果より本発明の効果は明らかで
ある。すなわち、本発明は、帯状の強磁性体からなる磁
気コアを有する磁界センサであって、前記磁気コアは、
その帯状の幅方向に実質的にスリット分割された複数の
磁気コア部分を有し、前記スリット分割された複数の磁
気コア部分の端部には、これらを一体化させて導通させ
るための導電部が形成されてなるように構成されてい
る。従って、本発明で用いられる磁気コアは、反磁場の
影響が小さく磁気コアの実効透磁率μeff が高くなる。
このため高い出力を得ることができるという極めて優れ
た効果が発現する。また、磁気コアの磁区構造も改善さ
れ理想的な構造をとることから出力ばらつきも極めて少
なくなるという極めて優れた効果が発現する。さらに、
本発明では幅広の磁気コアを用いることが可能なため、
製造時の歩留りが高いという優れた効果が発現する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の磁界センサの好適な一例を概略的に示
した斜視図である。

【図２】図１のＡ−Ａ方向断面矢視図である。

【図３】他の磁気コア構造を示す平面図である。

【図４】磁気コアの幅が、反磁場係数に影響を及ぼすこ
とを示すグラフである。

【符号の説明】

１…磁界センサ５…基板２…磁気コア２０〜２９…磁気コア部分２１ａ〜２４ａ…磁気コア部分２１ｂ〜２４ｂ…磁気コア部分３０，３１，３２，３５…導電部４０…検出用コイル５０…電源７１〜７９…隙間部分

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】帯状の強磁性体からなる磁気コアを有す
る磁界センサであって、前記磁気コアは、その帯状の幅方向に実質的にスリット
分割された複数の磁気コア部分を有し、前記スリット分割された複数の磁気コア部分の端部に
は、これらを一体化させて導通させるための導電部が形
成されてなることを特徴とする磁界センサ。
【請求項２】前記実質的にスリット分割された複数の
磁気コア部分の１つの上面部の幅をＷ１、長さをＬとし
たときに、５＜Ｌ／Ｗ１＜１００である請求項１に記載
の磁界センサ。
【請求項３】前記スリット分割された複数の磁気コア
部分の端部に形成された導電部を介して、磁気コアの長
手方向にパルス電流または高周波電流が印加され、実質
的にスリット分割された磁気コア部分に電流が分流する
構造を有してなる請求項１または請求項２に記載の磁界
センサ。
【請求項４】前記磁気コアの外周には、長手方向に沿
って、磁界検出のための検出用コイルが巻かれ、このコ
イルに生じる電気信号により外部磁界を検出するフラッ
クスゲートセンサ構造を備えてなる請求項１ないし請求
項３のいずれかに記載の磁界センサ。
【請求項５】前記実質的にスリット分割された複数の
磁気コア部分の総断面積が、実質的にスリット分割され
ていない磁気コアの断面積の５０〜９９％となるように
構成されてなる請求項１ないし請求項４のいずれかに記
載の磁界センサ。
【請求項６】前記帯状の磁気コアは、パターニングさ
れた薄膜である請求項１ないし請求項５のいずれかに記
載の磁界センサ。
【請求項７】スリット分割される前の状態における磁
気コアの幅をＷ２、長さをＬとした場合、０．５＜Ｌ／
Ｗ２＜１．５である請求項１ないし請求項６のいずれか
に記載の磁界センサ。